为研究不同载气流量和不同送粉量下激光熔覆粉末流场的汇聚特性对熔覆层高的影响，采用Fluent软件建立了气固两相流模型，对不同载气流量和不同送粉量下粉末流场的汇聚特性进行了模拟，并对模型进行了试验验证。结果表明，随着载气流量增大，喷嘴出口粉末流场的发散程度增大，粉末汇聚浓度降低。随着送粉量的增大，喷嘴出口粉末浓度场增大，粉末汇聚浓度增大，两种情况汇聚位置均无变化，在试验参数中载气流量和送粉量分别为7 L/min和1.2 r/min时粉末汇聚最好，熔覆层高最高。最后通过试验验证，模拟结果和试验结果相一致，说明了该模型的准确性。

在激光沉积制造时, 粉末汇聚性是保证成形质量的关键因素。为了改善粉末的汇聚性, 采用气固两相流理论对载气式同轴送粉喷嘴纵吹气帘气压力大小对粉末汇聚性影响进行了数值模拟, 应用FLUENT软件中的离散相模型计算了粉末流场速度和浓度分布规律及汇聚特性。模拟结果表明, 纵吹气压力较小(0.3 MPa)时会导致粉末流充满整个流场域, 汇聚性极差; 气压力较大(0.7 MPa)时同样粉末汇聚性较差, 影响沉积制造成形质量; 气压力为0.5 MPa时汇聚性良好, 且在焦点到焦点以下10 mm的汇聚区进行激光沉积制造能形成较好的熔池, 成形质量较好同时提高了粉末利用率。试验结果验证了模拟结果的合理性, 数值模拟结果对同轴送粉喷嘴设计和结构优化具有较大的参考价值, 并解决了现有喷嘴粉末汇聚性较差问题。

激光数字全息技术具有三维、非接触测量流场的能力，在颗粒场三维诊断领域具有巨大的应用潜力。对数字全息技术同时测量气固两相流场中固相大颗粒和气相示踪小颗粒进行了模拟和实验研究。模拟研究了大颗粒的存在对小颗粒检测成功率及精度的影响，以及全息对小颗粒的测量能力。在利用小波函数重建颗粒全息图和识别定位的基础上，获得流场中颗粒粒径及空间分布。利用所搭建的双光路激光数字全息系统对颗粒场进行实验测试，系统成功地对被测流场区域的颗粒场进行了重建，获得的颗粒粒径分布与实际情况基本吻合。结果表明:应用该系统测量多相流流场颗粒粒径、三维位置是可行性的。

光内送粉喷头是一种新型的激光熔覆同轴送粉喷头,具有空心光束、单根粉束指向性好、无干涉、光粉气一体同轴等优势。为了分析喷头倾斜角度和外层准直气流速对粉束汇聚特性的影响,采用FLUENT软件进行模拟计算,对喷头在空间变姿态作业过程中单喷嘴出口粉束的汇聚特性进行了理论分析和实验验证。结果表明,喷嘴出口粉末质量浓度分布沿x方向服从高斯分布,对称轴上沿-y方向质量浓度先基本保持恒定,后逐渐下降为0kg/m3;随喷头倾斜角度的增大,粉末汇聚长度h不断减小,h变化范围为11mm~17mm,偏移量Δx大致呈增大趋势,Δx变化范围为0.0mm~0.4mm;随外层准直气速度增加,汇聚长度h呈轻微上升趋势,h上升幅度为1mm~2mm,而偏移量Δx在不同倾斜角度范围内呈现出不同变化趋势,Δx变化幅度为0.05mm~0.15mm;实验数据与模拟结果变化趋势基本吻合。所建模型和模拟结果对于选择和优化实验工艺参量具有参考价值。

应用 ANSYS FLUENT 12.0 软件的离散相模型, 对研制的新型激光光内送粉、送丝复合喷嘴气固两相流流场进行了三维数值模拟, 分析了保护气入口压力、载气流量等参数对流场的影响。模拟结果表明: 激光光内送粉、送丝熔覆时, 外围保护气对粉束有很好的集束、准直作用。保护气入口压力越大, 粉末的集束效果越明显。而载气流量过大将造成粉末颗粒流在离喷嘴较远处发散角变大。

激光金属沉积成形过程中, 送粉喷嘴结构参数一定时, 载气式同轴送粉喷嘴的粉末流场主要受送粉参数影响如载气速度、送粉量。为了进一步改善现有送粉喷嘴的汇聚性和提高粉末利用率, 基于固气两相流数值计算模型, 应用FLUENT软件模拟两种因素对同轴送粉喷嘴粉末流场的影响。结果表明: 载气流速过小则会导致粉末流汇聚焦点浓度较低; 载气速度过大则焦点形状不规则, 降低成形表面质量; 载气流速过小或者过大都会导致粉末利用率降低。送粉量主要影响粉末流焦点中心的汇聚浓度和粉末流速度以及速度波动。数值计算结果对同轴送粉喷嘴设计和优化激光加工工艺参数具有一定的参考价值。

为了改进激光熔覆沸腾式送粉器的性能, 对送粉器的送粉过程运用FLUENT软件进行了3维非定常的气固两相流仿真。通过对比Syamlal-O’Brien,Gidaspow,Mckeen和修正的Syamlal-O’Brien曳力模型中Ni基合金粉末输送的模拟结果, 发现Mckeen模型得到的粉末流量与实验值相符。利用Mckeen模型, 分别对不同沸腾气流量进行计算, 其平均的粉末流量也与实验值接近, 从而确定了Mckeen曳力模型适用于该类送粉器的数值模拟; 并分析了2.6L/min的沸腾气流量下的气体与粉末的流化特性。结果表明, 沸腾进气口2对送粉的影响不大, 关闭该气流入口也可得到很好的送粉结果。这为激光熔覆送粉器结构改进和优化提供了理论依据。

为了探讨在成形过程中沉积层结构对粉末流场的影响规律，应用气固两相流理论研究了沉积层在不断变化过程中对粉末流场浓度分布规律及粉末流汇聚焦距的变化规律，采用FLUENT软件中的离散相模型计算了粉末流场分布。计算结果表明，同轴送粉喷嘴(CPFN)的粉末汇聚浓度在径向近似服从高斯分布，与自由射流相比粉末汇聚焦点上移，粉末汇集焦距从5 mm减少到4.6 mm，上移量为0.4 mm。在沉积层宽度一定时，随沉积层高度增大，粉末汇聚点处的浓度变小，汇聚点稍微下移，汇聚特性基本不变；在沉积层高度一定时，随沉积层宽度增大，汇聚点处浓度值增大，汇聚焦点略微上移，粉末汇聚性较好。并对不同高度及宽度的沉积层进行单层沉积试验，试验结果与计算结果基本一致。说明在开环控制下制造壁厚不均且高度逐渐变化的金属零件时，由于制件结构变化而造成粉末流场变化，进而会促使沉积层高度增长的不均匀性，降低制造零件的表面成形质量。